Thème Conception , simulation et réalisation d un ...

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DE SAÏDA DR MOULAY TAHAR

FACULTE DE TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VUE DE L’OBTENTION

DU DIPLOME DE MASTER EN ELECTRONIQUE

OPTION : INSTRUMENTATION GENIE BIOMEDICALE

Thème

Conception , simulation et réalisation d’un détecteur de pulsation

cardiaque couplé à un thermomètre électronique

Présenté par

DJEBLI ASSIA

BEZZA FATNA

Soutenu en Juin 2018, devant le jury composé de :

Dr.BENALLOU Yacine Président

Mr .CHAMI Nadir Examinateur

Dr .ARBOUCH Omar Invité

Dr.DAHANI Ameur Encadreur

Dr.BOUHAMDI Merzoug CO-Encadreur

ANNEE UNIVERSITAIRE 2017-2018

Remerciements

Louange à dieu qui nous a donné le courage, la

puissance, et la patience pour terminer ce modeste

travail. Nous tenons à remercier particulièrement ‘Dr.

DAHANI Ameur’ et M’BOUHAMDI notre encadreur

pour nous avoir bien suivi durant notre travail, et de

nous faire profiter de son savoir, ainsi de ses conseils, et

pour tout son aide, les remarques constructives qui nous

ont permis d’améliorer et réaliser l’objectif de ce

travail. Nos précieux remerciements vont au président et

aux membres de jury pour honneur qu’ils nous font en

acceptant de juger ce travail. Nos grands remerciements

aussi s’adressent à tous les enseignants de Département

d’Electronique filière « instrumentation biomédicale »

qui a contribué à notre formation.

Dédicaces

Je dédie ce travail de plusieurs années de réflexions

A mes parents qui m’ont aide par Leurs invocations ainsi, que leurs

bénédictions et leur soutien Durant toute ma vie. A nos frères et sœurs .

Mon AmisFatna A tous la famille : abdallah et djebli

A tous mes amis .

Assia djebli

Dédicaces

Je dédie ce travail de plusieurs années de réflexions

A ma très chère mère et mon joyau père qui m’ont aide par

Leurs invocations ainsi, que leurs bénédictions et leur soutien

Durant toute ma vie. A nos sœurs

Mon Bilan Assia A tous la famille : Bezza et Barmati

A tous mes amis, surtout hachemaoui mokhetar

Bezza Fatna

Tables Des Matière

Remerciement

Dédicace

Résumé

Introduction général ………………………………………………………………… . 1

Chapitre I: Température générale et corporelle

I.1-Notion de température…………………………………………………………… 4

I.2-Unités et conversion…………………………………………………………. 5

I.2.1-Echelle Celsius…………………………………………………………….. 5

I.2.2-Echelle thermodynamique ou absolue…………………………………… 5

I.2-3-Echelle Fahrenheit………………………………………………………… 7

I.3-Les Types de température………………………………………………………… 8

I.3.1.1-Thermomètre à dilatation de liquide……………………………………. 8

I.3.1.2-Thermomètre à dilatation de gaz……………………………………… 8

I.3.1.3-Thermomètre à dilatation de solide…………………………………… 9

I.3.2-Thermomètres électrique…………………………………………………. 9

I.3.2.1-Thermomètre à résistance……………………………………………… 10

I.3.2.2-Thermomètre à thermistance……………………………………………. 10

I.3.2.3- couples thermoélectriques ou thermocouple…………………………….. 11

I.3.3-Pyromètres optiques……………………. ………………………………… 11

I-4-La température corporelle………………………………………………………… 11

I.4.1-Méthodes pour mesurer la température……………………………………. 12

I. 4.1.1-Méthodes non invasives…………………………………………………. 12

I.4.1.2-Méthodes invasives………………………………………………………. 13

I.4.2-Les différents types de thermomètres……………………………………… 13

I.4.2.1-Le thermomètre électronique…………………………………………….. 13

I.4.2.1-Le thermomètre à infrarouges……………………………………………. 14

I.4.2.2-Le thermomètre à cristaux liquides ou bandelette frontale……………… 15

I.4.2.3-Le thermomètre à gallium………………………………………………. 15

I.5-Conclusion……………………………………………………………………….. 16

Chapitre II: Généralité sur les capteurs et les capteurs utilises

II.1-Introduction……………………………………………………………………… 18

II.2-Généralités sur les capteurs……………………………………………………… 18

II.2.1-Définition…………………………………………………………………. 18

II.2.1.1-Structure d’un capteur………………………………………………… 18

II.3-Classification des capteurs……………………………………………………….. 19

II.3.1-Capteur actif………………………………………………………………. 19

II.3.2-Capteur passif……………………………………………………………. 21

II.4-Caractéristique d’un capteur……………………………………………………... 22

II.5-Chaîne de mesure………………………………………………………………… 23

II.6- Etude des capteurs utilisés ……………………………………………………… 23

II.6.1- Le capteurs de température LM35 ……………………………………… 23

II-6-1.1- Définition……………………………………………………………… 23

II.6.2- Différents version du LM 35……………………………………………. 24

II.6.3- Avantage du LM 35……………………………………………………… 25

II.6.4- Le dispositif LM35 …………………………………………………… 25

II.6.5- Conditions de fonctionnement recommandé…………………………….. 26

II.7- Les Caractéristiques de LM35 ………………………………………………….. 27

II.8- Fonctionnement du capteur de température LM35……………………………… 28

II.9- Définition d’un détecteur cardiaque…………………………………………… 28

II.10- La description………………………………………………………………….. 30

II.11- Principe du capteur de battement de cœur…………………………………… 30

II.12- Fonctionnement du capteur cardiaque………………………………………… 32

II.13- Capteur optique ………………………………………………………………. 33

II.13.1- Circuit d’émission …………………………………………………. 34

II.13.1.1- Diode infrarouge…………………………………………………….. 34

II.13.2- Circuit de réception……………………………………………………. 35

II.13.2.1- Photodiode………………………………………………………….. 35

II.13.2.2- principe de fonctionnement…………………………………………. 35

II.14- Conditionnement du signal…………………………………………………….. 36

II.14.1- Filtrage………………………………………………………………… 36

II.14.2- Amplification………………………………………………………….. 37

II.14.2.1- Amplificateur opérationnel…………………………………………. 37

II.15-Définition LM358………………………………………………………………. 37

II.16- La conversion analogique numérique………………………………………….. 38

II.17- Conclusion …………………………………………………………………….. 40

Chapitre III: réalisation et simulation

III.1-Introduction……………………………………………………………………. 42

III.2-Définition du logiciel Proteus…………………………………………………… 42

III.3-Simulation du circuit électrique par Proteus……………………………………. 42

III.3.1-Simulation du circuit électrique du thermomètre………………………. 43

III.3.1.1-Etude du schéma fonctionnel………………………………………… 43

III.3.1.2-Simulation……………………………………………………………. 45

III.3.2-Simulation du circuit électrique de la pulsation cardiaque…………….. 45

III.3.2.1-Etude du schéma fonctionnel……………………………………....... 45

III.3.2.2-Circuit mise en forme………………………………………………… 46

III.3.2.2.a-Etage de filtrage…………………………………………………….. 47

III.3.2.2.b-Etage d’amplification………………………………………………. 48

III.3.2.3-Simulation……………………………………………………………. 48

III.3.3-Simulation du circuit électrique global : thermomètre et dispositif de

mesure de la pulsation cardiaque……………………………………................

49

III.3.3.1-Etude du schéma fonctionnel global…………………………………. 49

III.3.3.2-Simulation……………………………………………………………. 51

III.3.3-Simulation du circuit électrique global : thermomètre et dispositif de

mesure de la pulsation cardiaque……………………………………………….

51

III.4.1-Description des composants de réalisation…………………………….. 51

III.4.1.1-La carte Arduino Uno……………………………………………….. 51

III.4.1.1.a-Définition…………………………………………………………… 51

III.4.1.1.b-Description de la carte Arduino……………………………………. 52

III.4.1.2-Afficheur LCD……………………………………………………….. 53

III.4.1.2.a-Définition et description……………………………………………. 53

III.4.1.2.b-Fonctionnement de l’afficheur LCD……………………………… 54

III.4.1.3-Capteur LM35……………………………………………..…………. 55

III.4.1.4-Capteur de pulsation cardiaque………………………………………. 56

III.4.1.4.a-Fréquence cardiaque………………………………………………... 56

III.4.1.4.b-Mesure de la fréquence cardiaque………………………………….. 56

III.4.1.4.c-Description et fonctionnement du capteur ky-039…………………. 57

III.4.2-Réalisation des circuits électriques globaux……………………………. 58

III.4.2.Réalisation des circuits électriques globale…………………………….. 58

III.4.2.2.1-Schéma fonctionnelle du thermomètre……………………………... 59

III.4.2.2-Réalisation du détecteur de pulsation cardiaque………….................. 59

III.4.2.2.1-montage et réalisation…………………………………….……….. 59

III.4.2.2.2-Le code de calcul des pulsations cardiaques ……………………… 60

III.4.2.2.2-Réalisation d’un circuit de mise en forme…………………………. 61

III.4.3-Réalisation d’un circuit électrique de détecteur global ……….. 62

III.4 .3.1-Montage et réalisation……………………………………………... 62

III.4.3.2- Code de calcul des deux paramètres………………………………… 63

III.4.4-Test de validation du dispositif……………………………………….. 64

III.5-Conclusion……………………………………………………………………… 65

Conclusion générale………………………………………………………………….. 66

Annexe

Liste dés figures :

Chapitre I :

Fig. (I.1) : comparaison des échelles de température Celsius et kelvin. …….…...…… 6

Fig. (I.2) : Thermomètre électrique……………………………………………………. 14

Fig.( I.3): Thermomètre à infrarouges ………………………………………..…………...... 14

Fig.: (I.4): Thermomètre à cristaux liquides………………………….……… ……… 15

Fig.( I.5) : Le thermomètre à gallium …………………….…………………….…..………. 15

Chapitre II :

Fig.( II .1) : Schéma de principe d'un capteur ……………………………………… …. 23

Fig. .(II .2) : constitution d’une chaine de mesure ………………………………….……… 24

Fig. (II .3) : Les différentes versions du lm 35 ………………………………………… …… 25

Fig. (II .4) : classique Capteur de température LM35 ……………………………………. ..

Fig. (II .5) : Schéma électrique du capteur de température le LM35 dans la plage de 2°C à

150°C ………...........................................................................................................................

26

Fig. (II .6) : Schéma électrique du capteur de température le LM35 à pleine gamme ……… 26

Fig. (II .7) : les capteurs de pulsation cardiaque KY-039 (à gauche) analogique et capteur de

pulsation (HBS :Heart Beat Sensor) digital……………………………………………… ….

29

Fig. (II .8) : la mesure manuelle………………………………………………………………. 29

Fig. (II .9) : mesure automatique……………………………………………………………… 30

Fig.(II .10) : le phototransistor ……………………………………………………………….. 31

Fig .(II .11) : émetteur/détecteur de capteur cardiaque ………………………………………. 32

Fig. (II .12) : Le circuit d’amplification et de mise en forme…………………………………. 33

Fig.( II .13) : Symbole de la diode électroluminescente ……………………………………… 34

Fig. (II .14) : le spectre électromagnétique. …………………………………………………… 34

Fig (II .15) : symbole de la diode réceptrice ………………………………………………… . 36

Fig.( II .16) : LM358 ………………………………………………………………………… 38

Chapitre II .17 : la carte arduino et son câble…………………………………………… 39

Chapitre III :

Fig. (III .1) : circuit électrique du thermomètre………………………………………. 43

Fig. (III .2): Schéma synoptique d’un thermomètre…………………………………… 44

Fig. (III .3): Circuit électrique de mesure de la pulsation cardiaque………………… . 46

Fig.(III.4) : Circuit de mise en forme ……………………………………………………… 47

Fig. (III .5): filtre passe bas ………………………………………………………………… 48

Fig.(III .6): Circuit électrique de mesure de la pulsation cardiaque et de la

température corporelle……………………………………………..………………….

50

Fig. (III .7): Carte Arduino Uno……………………………………………………………… 52

Fig. (III .8): Afficheur LCD…………………………………………………………..... 53

Fig. (III .9): Capteur LM35…………………………………………………………………… 55

Fig. (III .10): Le capteur ky-039, (a) broche de connexion, (b) LED IR et

phototransistor…………………………………………………………………………

57

Fig. (III .11): Principe du capteur de battement de cœur……………………………… 58

Fig. (III .12): Schéma de câblage du thermomètre électronique…………………….. 59

Fig. (III.13) : Schéma de câblage du pulsation cardiaque……………………………….. 60

Fig. (III.14) : Signal PPG……………………………………………………………………. 61

Fig. (III.15) : Circuit électrique de mesure de la pulsation cardiaque et de la

température corporelle………………… ;…………………………………………….

62

Fig. (III.16):L’organigramme de code globale………………………… …………… 63

Fig. (III. 17) : Test de validation………………………………………………………. 64

Liste des tableaux

Chapitre I

Tableau. (I.1) : conversion entre différentes échelles de température.......................... 7

Chapitre II

Tableau. (II. 1) : Effets physiques des capteurs actifs.………………………………. 20

Tableau. (II.2) : Effets physiques des capteurs passifs…………………………………… 22

Tableau. (II.3) : Informations de dispositif …………………………………………………. 26

Tableau. (II.4) : plage de mesure de la série LM35……………………………………… .. 27

Introduction générale

1


Les moniteurs de signes vitaux (ou moniteurs multiparamètres) sont des

dispositifs médicaux qui mesurent, enregistrent et affichent en temps réel un nombre

plus ou moins important de paramètres physiologiques vitaux comme la fréquence

cardiaque, ECG, la pression artérielle non invasive (NIBP), la saturation fonctionnelle

en oxygène (SpO2), la température corporelle, le rythme respiratoire etc ... Ils

permettent aux professionnels de santé de faire une analyse plus ou moins complète

des conditions physiologiques du patient et d'assurer une surveillance médicale

efficace.

Les moniteurs de signes vitaux sont indispensables dans les environnements

de soins où la surveillance de ces signes est nécessaire : services hospitaliers,

réanimation, maternités, urgences, ambulances, etc ...

Dans cette optique, nous allons essayer de vous présenter, dans ce travail, un

dispositif qui mesure et affiche deux paramètres physiologiques cruciaux pour la vie

humaine : il s’agit de la température et la fréquence cardiaque.

Nous avons tous dit au moins une fois " Qu’est ce qu’il fait chaud ". Cette

sensation est liée principalement à la notion de température. Elle est présente dans de

nombreux actes quotidiens, au sein même de notre corps. La mesure de cette

grandeur dans le corps humain ou le milieu qui l’entour devient alors un acte crucial.

Le thermomètre est l’instrument de mesure de la température. Il est utilisé dans

différents domaines (médical, alimentaire, industrie.....etc.). Le thermomètre médical

évalue la température de notre corps.

Le rythme cardiaque, aussi appelé les pulsations cardiaques, est le nombre de

fois que votre cœur bat par minute. Un rythme cardiaque normal dépend de l’individu,

de son âge, de la taille de son corps, de son niveau de forme physique, de son état

cardiovasculaire, s’il est debout ou assis, s’il prend ou non des médicaments et même

de la température de son environnement.


2

Le travail de ce mémoire de fin d’étude consiste à faire la conception, la

simulation et la réalisation sur plaque d’essais d’un thermomètre électronique couplé

à un détecteur de pulsations cardiaque, en utilisant la carte Arduino. Pour ce faire,

nous avons utilisé un capteur de température type LM35 pour la mesure de la

température, un détecteur de pulsations cardiaque type KY039 associé à un circuit de

mise en forme, une carte Arduino doté d’un microcontrôleur Atmel AVR

(ATmega328) pour la lecture et la conversion des données. Les résultats seront

affichés sur écran LCD.

Le manuscrit de ce projet est divisé en deux parties. La première partie est

consacrée aux notions théoriques et définitions des composants utilisés dans le cadre

de cette réalisation. La seconde partie représente la réalisation et mise en ouvre du

thermomètre électronique couplé détecteur de pulsations cardiaque sur plaque d’essai.

Le premier chapitre donne un aperçu sur température générale et corporelle.

Le second chapitre est consacré à la description et présentation des capteurs utilisé

dans le cadre de cette thèse.

La partie réalisation est composée du troisième chapitre dédié à la conception,

simulation et réalisation du système étudié. Des tests sont effectués sur quelques

individus pour la validation des résultats. Le manuscrit se termine par une conclusion

générale.


1


Les moniteurs de signes vitaux (ou moniteurs multiparamètres) sont des

dispositifs médicaux qui mesurent, enregistrent et affichent en temps réel un nombre

plus ou moins important de paramètres physiologiques vitaux comme la fréquence

cardiaque, ECG, la pression artérielle non invasive (NIBP), la saturation fonctionnelle

en oxygène (SpO2), la température corporelle, le rythme respiratoire etc ... Ils

permettent aux professionnels de santé de faire une analyse plus ou moins complète

des conditions physiologiques du patient et d'assurer une surveillance médicale

efficace.

Les moniteurs de signes vitaux sont indispensables dans les environnements

de soins où la surveillance de ces signes est nécessaire : services hospitaliers,

réanimation, maternités, urgences, ambulances, etc ...

Dans cette optique, nous allons essayer de vous présenter, dans ce travail, un

dispositif qui mesure et affiche deux paramètres physiologiques cruciaux pour la vie

humaine : il s’agit de la température et la fréquence cardiaque.

Nous avons tous dit au moins une fois " Qu’est ce qu’il fait chaud ". Cette

sensation est liée principalement à la notion de température. Elle est présente dans de

nombreux actes quotidiens, au sein même de notre corps. La mesure de cette

grandeur dans le corps humain ou le milieu qui l’entour devient alors un acte crucial.

Le thermomètre est l’instrument de mesure de la température. Il est utilisé dans

différents domaines (médical, alimentaire, industrie.....etc.). Le thermomètre médical

évalue la température de notre corps.

Le rythme cardiaque, aussi appelé les pulsations cardiaques, est le nombre de

fois que votre cœur bat par minute. Un rythme cardiaque normal dépend de l’individu,

de son âge, de la taille de son corps, de son niveau de forme physique, de son état

cardiovasculaire, s’il est debout ou assis, s’il prend ou non des médicaments et même

de la température de son environnement.


2

Le travail de ce mémoire de fin d’étude consiste à faire la conception, la

simulation et la réalisation sur plaque d’essais d’un thermomètre électronique couplé

à un détecteur de pulsations cardiaque, en utilisant la carte Arduino. Pour ce faire,

nous avons utilisé un capteur de température type LM35 pour la mesure de la

température, un détecteur de pulsations cardiaque type KY039 associé à un circuit de

mise en forme, une carte Arduino doté d’un microcontrôleur Atmel AVR

(ATmega328) pour la lecture et la conversion des données. Les résultats seront

affichés sur écran LCD.

Le manuscrit de ce projet est divisé en deux parties. La première partie est

consacrée aux notions théoriques et définitions des composants utilisés dans le cadre

de cette réalisation. La seconde partie représente la réalisation et mise en ouvre du

thermomètre électronique couplé détecteur de pulsations cardiaque sur plaque d’essai.

Le premier chapitre donne un aperçu sur température générale et corporelle.

Le second chapitre est consacré à la description et présentation des capteurs utilisé

dans le cadre de cette thèse.

La partie réalisation est composée du troisième chapitre dédié à la conception,

simulation et réalisation du système étudié. Des tests sont effectués sur quelques

individus pour la validation des résultats. Le manuscrit se termine par une conclusion

générale.

Chapitre I Température générale et corporelle

3

Chapitre I

Température

générale et

corporelle


4

Chapitre I

Température générale et corporelle

I.1- Notion de température

La température est une grandeur physique qui caractérise la sensation de

chaleur ou de froid laissée par le contact d’un corps. Si la sensation de chaud

augmente on dit que la température s’élève et inversement. Cette définition simple de

la température ne suffit pas pour sa mesure, mais on remarque que la variation de

température d’un corps s’accompagne presque toujours par la variation de la valeur

d’une grandeur physique caractérisant ce corps à savoir :

L’augmentation de la température d’un gaz maintenu à volume constant se

traduit par une augmentation de la pression.

La variation de la température d’un liquide ou d’un métal sous la pression

atmosphérique par exemple est accompagnée par une variation de volume.

La variation de la température d’un métal est accompagnée par une variation

de sa résistance électrique.

Ainsi la température pourra donc se repérer par la mesure d’un volume, d’une

longueur, d’une pression, d’une résistance, d'une luminance ou d’un fém.

Les critères de choix d’un phénomène thermométrique sont les suivants :

1. Il faut que la grandeur considérée ne puisse varier sans que la température

varie.

2. A une valeur Y de cette grandeur ne doit correspondre qu’une valeur et

qu’une seule de la température (relation univoque).

3. Il faut que le phénomène soit fidèle (n mesures à même température doivent

donner des résultats identiques).

4. Il faut que le phénomène soit sensible. [1]


5

I .2- Unités et conversion

I.2.1- Echelle Celsius

Cette échelle se caractérise par deux points fixes :

le point zéro (0°C) de l’échelle Celsius qui est la température de la glace

fondante (ou température de fusion de la glace).

le point d’ébullition de l’eau sous la pression atmosphérique (1atm), et qui

correspond à la température de 100 °C.

L’unité de la température dans cette échelle est le degré Celsius noté par °C. Le

degré Celsius est la variation de température qui produit la 1/100 partie de

l’accroissement de pression que subit la masse d’un gaz parfait quand, à volume

constant, la température passe du point 0 (glace fondante) au point 100 (ébullition de

l’eau) ces deux points étant déterminés sous la pression atmosphérique normale.[2]

I.2.2- Echelle thermodynamique ou absolue

L’étude des gaz à des pressions relativement basses a permis d’exprimer la

pression (P) et le volume (V) du gaz par les relations suivantes :

à V = cte ; 𝑝 = 𝑝 + 𝑡 (I.1)

à P = cte ; 𝑣 = 𝑣 + . 𝑡 (I.2)


6

Si l’on considère une température égale à –273.15°C la relation (I.1) lui fait

correspondre une pression nulle. On ne peut imaginer atteindre une température plus

basse car l’on obtiendrait des pressions négatives.

Lord Kelvin avait transformé les deux équations précédentes pour devenir :

𝑝 = 𝑝 . . 𝑇 et 𝑣 = 𝑣 . . 𝑇 (I.3)

Avec 𝑇 = 𝑡 + = 𝑡 + = 𝑡 + ,

𝑇 𝑘 = , + 𝑡 °∁

Cette température notée T est appelée température absolue et elle est exprimée

en Kelvin (K) Points fixes. [2]

Echelle

Kelvin

Echelle

Celcius

Température de fusion de la glace 273,15 K 0 °C

Température d’ébullition de l’eau à

1atm 373,15 K 100°C

Fig. (I.1): comparaison des échelles de température Celsius et kelvin.


7

I.2.3- Echelle Fahrenheit

Elle est utilisée dans les pays anglo-saxons et se caractérise par les deux points

fixes:

Température de fusion de glace:32°F.

Température d’ébullition de l’eau (1,013bars):212°F.

Les températures Fahrenheit et Celsius sont liées entre elles par la relation

suivante qui permet en même temps de faire la conversion d’une température à

l’autre: 𝒕 °𝑭 = , 𝟖 × 𝒕 °𝑪 + (I.4)

Exemple d’application :

0°C=32°F, 100°C=212°F, 0°F=-17,78°C, 100°F=37,38°C.

Le point commun est : - 40°C = - 40 °F

Conversion :

°C K °F

°C 1 T(K) = t (°C) + 273,15 t (°F) =1,8 t (°C) + 32

K t (°C) = T(K) - 273,15 1

t (°F) =1,8[T(K) - 273,15] +

32

°F T (°C) =[T (°F) –

32]/1,8

T(K) = [t (°F) – 32]/1,8

+273,15 1

Tableau. (I.1) : conversion entre différentes échelles de température


8

I.3- Les Types de température

I.3 .1- Thermomètres à dilatation

Ils reposent sur le phénomène de dilatation des corps lorsque la température

augmente. La dilatation étant réversible, elle fournit un mode pratique de repérage des

températures. Ce phénomène se trouve de façon analogue, mais avec une ampleur

différente pour les liquides, les gaz et les solides. D’où les trois types de thermomètres

à dilatation.

Thermomètre à dilatation de liquide

Thermomètre à dilatation de gaz

Thermomètre à dilatation de solide [2]

I.3.1.1- Thermomètre à dilatation de liquide

Loi de variation :

La variation du volume d’un liquide en fonction de la température est

généralement donnée par la relation suivante : 𝑣 = 𝑣 + . 𝑡 (I.5)

Avec

V : volume du liquide à t °C, V0 : volume du liquide à 0 °C, α : Coefficient de

dilatation du liquide en °C-1

I.3.1.2- Thermomètre à dilatation de gaz

L’équation d’un gaz parfait est : 𝑃𝑉 = 𝑛. 𝑅. 𝑇 (I.6)

n : Nombre de mole, R = 8,3144 J. mol-1 K-1 : Constante des gaz parfaits,

T : Température absolue en K, P : Pression en Pa

Cette équation peut s’écrire sous l forme :


9

𝑝 = 𝑛. 𝑅. 𝑇𝑉 (I.7)

On voit qu’à volume V constant, la pression du gaz est proportionnelle à la

température absolue et une augmentation de la température provoque une

augmentation de la pression. [2]

I.3.1.3- Thermomètre à dilatation de solide

Dans ce type d’appareil, on utilise la dilatation linéaire d’une barre solide (ou une

tige métallique) qui est régit par la loi suivante : 𝐿 = 𝐿 + 𝜆𝑡 (I.8)

L : longueur de la tige à t °C, Lo : longueur de la tige à 0 °C, t : température en

°C

: Coefficient de dilatation linéaire du métal, = 9 10-6 °C-1 pour le platine,

= 30 10-6 °C-1 pour le zinc.

La mesure ou la détection de la variation de longueur (L-L0) nous permet de

déterminer la température de la tige métallique qui est supposée égale à la température

du milieu environnant.

I.3.2- Thermomètres électriques

Un thermomètre électrique est un système permettant de repérer et d’indiquer

la température. Il est constitué d’un capteur électronique (élément sensible) et d’un

circuit électronique permettant de mesurer la caractéristique variable avec la

température.

Thermomètre à résistance

Thermomètre à thermistance

Couples thermoélectriques ou thermocouples


10

I.3.2.1- Thermomètre à résistance

La résistance électrique d’un conducteur métallique croit avec la température.

Cette variation est parfaitement réversible. On peut donc établir une relation R = f (t)

entre la résistance R et la température t, et repérer ainsi t par des mesures de R on

constitue pour cela des sondes appelées thermo sondes à résistance, ou sondes à

résistance. Elles sont incluses dans un ensemble de mesure, et éventuellement de

régulation, qui constitue un thermomètre à résistance. [2]

𝑅 = 𝑅 + . 𝑡 + . 𝑡 + . 𝑡 (I.9)

t : la température en °C

R0 : la résistance à 0 °C (en Ω)

R : la résistance à t °C (en Ω)

a, b et c : des coefficients positifs spécifiques au métal.

I.3.2.2- Thermomètre à thermistance

Une thermistance est un agglomérat d’oxydes métalliques frittés, c’est à dire

rendu compacts par haute pression exercée à température élevée.

La résistance électrique d’une thermistance est très sensible à l’action de la

température.

La loi de variation est de la forme :

𝑅 = 𝑅 . exp [ . − /𝑇 ] (I.10)

T : Température absolue

To : Température de référence 298 K

B : Indice de sensibilité thermique propre au matériau de la thermistance en K

Ro : Résistance à la température de référence

Ainsi, la mesure de la résistance R permet de déterminer la température T. [2]


11

I .3.2.3- couples thermoélectriques ou thermocouples

Un thermocouple est constitué de deux conducteurs A et B formant deux

jonctions aux températures et ' ; il délivre une f.e.m. e qui dépend des 2

conducteurs A et B et des températures et ', e (,';A/B)

I.3.3- Pyromètres optiques

Suivant qu'on utilise les grandeurs spectrales à une longueur d'onde

déterminée ou les grandeurs intégrales sur l'ensemble du spectre visible et infrarouge,

les résultats obtenus n'ont pas la même signification physique.

On doit distinguer :

Les pyromètres mono-chromatiques.

Les pyromètres bi-chromatiques.

Les pyromètres mesureurs d'énergie.

Un dispositif optique forme l'image de la source S sur la surface S' du récepteur

avec juxtaposition d'une source de référence dans les appareils de zéro. [3]

I.4- La température corporelle

La température du corps est le résultat de la production de la chaleur par notre

métabolisme; même au repos, nous brûlons des sucres et de la graisse pour maintenir

les fonctions vitales (notamment le cerveau!). Pendant un effort physique, la

contraction musculaire augmente le métabolisme et, du coup, aussi la production de la

chaleur. A part la chaleur produite par notre propre métabolisme, on peut aussi

recevoir de la chaleur de notre environnement, par exemple du soleil, ou d’une

immersion dans un bain chaud. En moyenne, sur 24 heures, nous perdons autant de


12

chaleur que nous en produisons par notre métabolisme, ainsi on garde la température

du noyau à 37 degrés.

Quand on est exposé à un environnement froid, on risque par contre une

déperdition de chaleur au delà de celle qui est produite. Le résultat est une baisse de la

température du noyau. Cela s’appelle une hypothermie (définie comme une

température du noyau de 35 degrés ou moins). Un début d’hypothermie se traduit par

une sensation de froid, et est accompagné par des frissons (contraction involontaire

des muscles afin d’augmenter le métabolisme et, ainsi, la production de la chaleur).

Au fur à mesure que l’hypothermie devient plus importante, les différentes

fonctions ralentissent, les frissons s’arrêtent et on perd connaissance. Une

hypothermie profonde avec une température du noyau qui a chuté en dessous de 25-

20 degrés est souvent mortelle.

Une température du noyau de 36 degrés n’est donc pas encore une

hypothermie et ne représente pas un danger. Même, selon la façon de l’avoir mesurée,

cela peut refléter une situation tout à fait normale. En effet, une mesure faite sous une

aisselle sous-estime la température du noyau. Il vaut mieux prendre la température

sous la langue ou au niveau rectal. [4]

I. 4.1- Méthodes de mesure de la température

Franchissement des muqueuses (pas de contact sanguin), des méthodes

invasives. La fiabilité de la mesure diffère suivant la technique utilisée : la méthode la

plus précise reste la mesure intra rectale, les autres conduisant fréquemment à une

sous-évaluation de la température corporelle à température de référence se situant au

centre de l’organisme, celle-ci est difficilement mesurable. On distingue les méthodes

non invasives, qui ne nécessitent pas le. [4]

I.4.1.1- Méthodes non invasives

La prise de la température est sujette à controverse, car la température de

référence se situe au centre de l’organisme, endroit où il est difficile d’accéder. Dans


13

ces conditions, on se contente de pis-aller, en prenant la température dans un endroit

pas trop exposé à l’air ambiant, et, malgré tout, accessible :

le rectum permet d'obtenir une donnée fiable. Le thermomètre doit être nettoyé

et désinfecté après utilisation, il peut être protégé par une enveloppe à usage

unique ;

la bouche : une sonde à usage unique est placée sous la langue, bouche fermée.

La prise doit être relativement éloignée d'une absorption chaude ou froide ;

l’oreille : thermomètre tympanique à infrarouge avec un embout à usage

unique.

Les résultats peuvent être faussés par la présence d'un bouchon de cérumen ou

le positionnement sur le côté du conduit auditif et non près du tympan ;

l'aisselle ou pli axillaire : la température est de 0,5 °C inférieure aux autres

prises avec un thermomètre électronique. Elle peut être impossible chez les

personnes cachectiques. La peau ne doit pas être frictionnée avant la prise ;

l'aine ou pli inguinal : idem qu'à l'aisselle ;

moins utilisée, et coûteuse, une caméra infrarouge peut révéler des zones

d'inflammation (révélant par exemple des zones touchées par une arthrite, en

médecine vétérinaire notamment). [4]

I.4.1.2- Méthodes invasives

Réservée aux patients hospitalisés nécessitant un suivi intensif et continu, la

mesure de la température peut être réalisée avec une sonde urinaire, une sonde

œsophagienne ou avec un cathéter artériel doté d'une sonde de température

(notamment lors de la mesure de la pression artérielle invasive).[4]

I.4.2- Les différents types de thermomètres

I.4.2.1- Le thermomètre électronique

C’est celui que tout le monde connaît ! Il permet de prendre la température en

quelques secondes et affiche la valeur mesurée sur un écran. Facile d’utilisation, il

s’emploie aussi bien par voie rectale, axillaire que buccale. A noter que pour les plus

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Cath%C3%A9ter_art%C3%A9riel

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Pression_art%C3%A9rielle_invasive


14

frileux de la prise de température rectale, il existe des thermomètres électroniques à

embout flexible, qui ne risque donc pas de faire mal.

Fig. (I.2) : Thermomètre électrique

4.2.1- Le thermomètre à infrarouges (rayonnements émis par les

corps chauds)

Il s’agit d’un appareil électronique muni d’une sonde à infrarouges. Ainsi, le

thermomètre effectue une série de mesures en moins d’une seconde, et retient le

résultat le plus élevé. Les modèles de ce type sont surtout utilisés pour prendre la

température tympanique mais on les emploie également pour la mesure temporale

et/ou frontale. Ils sont en général appréciés des parents, qui peuvent prendre la

température de leur bambin sans le réveiller en toutes circonstances, et qui s’en

servent également pour la mesure de la température de l’eau du bain ou du biberon.

[5]

Fig. (I.3): Thermomètre à infrarouges.


15

I.4.2.2- Le thermomètre à cristaux liquides ou bandelette frontale

Il se présente sous forme d’une bandelette de plastique qui contient des

cristaux liquides devenant apparents à la chaleur, sur une échelle graduée. On le place

sur le front pour savoir si on a de la fièvre ou non. Il ne s’agit pas vraiment d’un

thermomètre, mais plutôt d’un indicateur de température, qui peut s’avérer pratique

car petit (format carte bancaire) et donc facilement transportable. Il est aussi

incassable, réutilisable à l'infini (système d'encre micro-encapsulée), économique

(environ 8 euros en pharmacie) et confortable (bandelette de silicone souple) : pas

besoin de réveiller un enfant par exemple pour prendre la mesure. [5]

Fig. (I.4) : Thermomètre à cristaux liquides

I.4.2.3- Le thermomètre à gallium

Il n’est plus aussi courant qu’avant. En verre gradué, il comporte un réservoir

rempli de métaux liquides (gallium, étain et indium). Ce mélange a remplacé le

mercure, interdit depuis 1999. Sous l’effet de la chaleur, les métaux se dilatent dans le

corps du thermomètre. Grâce aux graduations, on peut lire la température. Les

instruments de ce type sont utilisés pour mesurer la température axillaire et buccale.

Ceux présentant un réservoir de plus grande taille permettent aussi la prise rectale. [5]

Fig. (I .5): Le thermomètre à gallium.


16

I.5- Conclusion

Ce chapitre décrit les notions de thermométrie, les différentes types des

thermomètres disponibles, et aussi il montre les relations entre les unités de la

température, et les méthodes de mesure la température corporelle.

Chapitre II Généralités sur les capteurs et les capteurs utilisent

17

Chapitre II

Généralités sur les

capteurs et les

capteurs utilisent


18

Chapitre II

Généralités sur les capteurs et les capteurs utilisent

II.1- Introduction

Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services,

loisirs, etc...), on a besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques

(température, force, position, vitesse, luminosité, etc. ...). Le capteur est donc

l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques. [6]

II.2- Généralités sur les capteurs

II.2.1- Définition

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique d'entrée,

appelée mesurande [m], en une grandeur de nature électrique (en général) appelée

réponse [s].

La relation entre la grandeur électrique et la mesurande doit être univoque.

Exemple : Dans le cas d’un capteur de pression à jauges de contraintes, la pression est

la mesurande et tension est la réponse.

Fig. (II.1) : Schéma de principe d'un capteur

II.2.1.1- Structure d’un capteur

Certains capteurs sont des capteurs dits « composites », c’est à dire composés de

deux parties ayant un rôle bien défini :


19

a) Corps d’épreuve : C’est un élément qui réagit sélectivement aux variations

de la grandeur à mesurer. Il a pour rôle de transformer cette grandeur en

une autre grandeur physique dite mesurable.

b) Elément de transduction : C’est un élément lié au corps d’épreuve qui

traduit ses réactions en une grandeur physique exploitable.

II.3- Classification des capteurs

La classification se fait par :

la mesurande qu'ils traduisent (capteur de température, de pression, ...).

de leur rôle dans un processus industriel (contrôle de produits finis, de

sécurité, ...).

du signal qu’ils fournissent (capteur analogique, capteur logique, capteurs

digitaux).

de leur principe de traduction du mesurande (capteur résistif, à effet Hall,...).

de leur principe de fonctionnement : Les capteurs fonctionnent selon deux

principes de base suivant l'origine du signal électrique de sortie.

On distingue :

II.3.1- Capteur actif

Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son

principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la

forme propre au mesurande : énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.

Les effets physiques les plus rencontrés en instrumentation sont :

Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique

différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force

électromotrice d'origine thermique (T1, T2).

Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains

matériaux dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une

déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.


20

Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique

dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un

objet métallique).

Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous

l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde

électromagnétique.

Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le

matériau une différence de potentiel UH.

Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une

jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.

Mesurande Énergie propre du

mesurande Principe physique

Grandeur de

sortie

Température Énergie thermique Effet thermoélectrique

Effet pyroélectrique

Tension

Charge

Flux

lumineux

Énergie

électromagnétique

Effet photoémissif

Effet photovoltaïque

Effet photoélectrique

Courant

Tension

Tension

Force

Pression

Accélération

Énergie mécanique Effet piézoélectrique Charge

Vitesse Énergie mécanique Effet d'induction

électromagnétique Tension

Position Énergie mécanique Effet Hall Tension

Tableau. (II.1) : Effets physiques des capteurs actifs.


21

II.3.2- Capteur passif

Il s’agit d’impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible à la

mesurande.

La variation d'impédance résulte :

Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de

fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre,

inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile.

Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant,

pression accélération (Armature de condensateur soumise à une différence de

pression, jauge d'extensomètre liée à une structure déformable.

Mesurande Caractéristiques électriques sensibles Types de matériaux

utilisés

Température

Très basse

température

Résistivité

Constante diélectrique

Métaux : platine,

nickel, cuivre

Verres

Flux lumineux Résistivité Semi-conducteur

Déformation Résistivité

Perméabilité magnétique

Alliages de nickel,

silicium dopé

Alliages

ferromagnétiques

Position Résistivité

Matériaux magnéto-

résistants :

bismuth, antimoine

d'indium


22

Humidité Résistivité

Constante diélectrique

Chlorure de lithium

Alumine, polymères

Niveau Constante diélectrique Liquides isolants

Tableau 2 : Effets physiques des capteurs passifs

II.4- Caractéristique d’un capteur

Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.

Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.

Ds=S Dm

Conception d’un capteur : S doit dépendre le moins possible de :

• La valeur de m (linéarité)

• la fréquence de variation (bande passante)

• du temps (vieillissement)

• d’actions extérieures (grandeurs d’influence)

Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.

Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.

Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.

Linéarité : représente l'écart de sensibilité sur l'étendue de mesure.[8]


23

II.5- Chaîne de mesure

La chaine de mesure est constitué trois étapes:

1. Corps d’épreuve : celui en contact direct avec la mesurande.

2. Capteur intermédiaire : ce transducteur est associé à un conditionneur qui

fournit une grandeur électrique de sortie exploitable.

3. Conditionneur : qui fournit une grandeur électrique de sortie exploitable et

d’autre part, il détermine la nature finale du signal électrique.

L’ensemble de ces étapes constitue la chaine de mesure (figure 2). [6]

Fig. (II.2) : constitution d’une chaine de mesure classique.

II.6- Etude des capteurs utilisés

II.6.1- Le capteurs de température LM35

II-6-1.1- Définition

Le LM35 est un capteur à circuit intégré qui peut être utilisé pour mesurer la

température avec un signal électrique proportionnel à la température (en ° C)

Nous pouvons mesurer la température avec plus de précision que l'aide d'une

thermistance. Le circuit capteur est scellé et non soumis à l'oxydation, etc.

Le LM35 génère une tension de sortie plus élevée que les thermocouples et ne

peut exiger que la tension de sortie soit amplifiée.


24

Il a une tension de sortie est proportionnelle à la température Celsius. Le

facteur d'échelle est 0.1V/°C.

Le LM35 ne nécessite pas de calibration externe ou de taille et maintient une

précision de +/- 0.4 °C à température ambiante et +/- 0.8 °C sur une plage de 0 °C à +

100 °C.

Le capteur a une sensibilité de 10 mV /°C

Température (°C) * Vout = (100°C /V)

Donc, si Vout est 1V, puis, la température = 100 °C la tension de sortie varie

linéairement avec la température. [7]

Fig. (II .3) : Capteur de température LM35.

II.6.2- Différents version du LM 35

Voici le brochage des différentes versions du LM35, disponible sous 3

boîtiers différents.

Les références CZ et DZ se présentent en boîtier TO-92: on s'orientera vers

l'une ou l’autre :

M35AH : boitier métal TO46, plage -55 °C à +150 °C

LM35CH : boitier métal TO46, plage -40 °C à +100 °C

LM35CZ : boitier plastique TO92, plage -40 °C à +100 °C

LM35DH : boitier métal TO46, plage 0 °C à +100 °C

LM35DZ : boitier plastique TO92, plage 0 °C à +100 °C


25

Fig. (II.4) : Les différentes versions du lm 35.

II.6.3- Avantage du LM 35

Parmi les avantages de ce capteur, mentionnons sa consommation très faible (de

l'ordre de 60µA), d'où une puissance dissipée également très faible, et sa linéarité qui

demeure excellente sur toute sa plage de sensibilité.

Cette plage va de -40°C à +110°C pour les LM35C et de 0°C à 100°C pour les

LM35D.

II.6.4- Le dispositif LM35

Le dispositif LM35 est conçu pour fonctionner sur une gamme de température

du - 55°C à 150°C, tandis que le dispositif LM35C est évalué pour une plage de - 40

° C à 110 ° C (- 10°C avec une précision améliorée). La série des dispositifs LM35

sont disponibles emballés aux paquets de transistors imperméable, tandis que les

dispositifs LM35C, LM35CA, et LM35D sont disponibles dans l'emballage plastique

de transistors TO-92.

Est disponible dans un petit paquet de 8 broches monté dans un emballage en

plastique TO-220. [8]


26

Numéro de la pièce Paquet Taille du corps

Lm 35

T0-CAN 4.699 mm × 4.699 mm

T0-92 (3) 4.30 mm × 4.30 mm

SOIC (8) 4.90 mm × 3.91 mm

T0-220 (3) 14.986 mm × 10.16 mm

Tableau II. 3 : Informations de dispositif

Fig. (II.5) : Schéma électrique du capteur de température le LM35 dans la plage de 2°C à

150°C

Choisissons : R1 = –VS/50 A VOUT = 1500

mV à T = 150 °C, VOUT = 250 mV à T = 25

°C VOUT= –550 mV à T = –55 °C

Fig. (II.6): Schéma électrique du capteur de température le LM35 à pleine gamme


27

II.6.5- Conditions de fonctionnement recommandées

Le tableau suivant représente plusieurs types de LM35 selon la plage de

température à l'air libre en fonction de la tension d’alimentation. [8]

T min T max

Température de

fonctionnement

spécifiée : Tmin à

Tmax

LM35, LM35A –55 °C 150 °C

LM35C,

LM35CA

– 40 °C 110 °C

LM35D 0 °C 100 °C

Tension

d’alimentation (+Vs)

4 V 30 V

Tableau II.4 : plage de mesure de la série LM35

II.7- Les Caractéristiques de LM35

Calibré directement ° Celsius.

Facteur d'échelle linéaire + 10,0 mV / ˚C

Précision 0,5° C (+ 25 ° C).

Plage pour le plein nominal -55˚ à + 150 ° C.

Convient aux applications à distance.

Faible coût en raison de la coupe de niveau d'insertion.

Exécute 4 à 30 volts.

Moins de 60 uA de courant de drain.

Auto chauffage faible, air 0.08˚C.

Non linéarité ± seulement 1 / 4˚C.

Impédance de sortie de faible, 0,1 Ω à 1 Ma. [9]


28

II.8- Fonctionnement du capteur de température LM35

Le capteur de température [LM35] donne une tension de 0.25V à la sortie,

dont la variation de [LM35] est linéaire est pour cella on obtient pour chaque

variation de 0.01V une température de 1°c.

Ces dans ce sens quand obtient une température ambiante qui est égal a 25°C

On place le capteur dans une partie du corps du patient, si la température de ce dernier

s’élève le [LM35] vari a la sortie est donne des tensions analogique, ces derniers sont

introduit sur le pin n°0 du PORTA qui est configurée en entrée analogique avec

un convertisseur analogique/ numérique, le convertisseur du la carte arduino

convertie l’entrée analogique du capteur LM35.

La relation que doit lire le Arduino est la tension du référence de capteur

Vreff (dans notre cas est de 5V) diviser sur 1024 (10bit) multiplier par 100 (100 qui

est la sensibilité du capteur égale à 25/0.25=100) multiplier par la tension de sortie

de capteur LM35 (Vout).[10]

On obtenu une relation

Température affiché sur LCD = (Vout *Vreff *100/1024)

II.9- Définition d’un détecteur cardiaque

Détecteur cardiaque est un dispositif électronique qui est utilisé pour mesurer la

fréquence cardiaque, c'est-à-dire la vitesse du rythme cardiaque. La surveillance de la

température corporelle, de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle sont les

choses fondamentales que nous faisons pour rester en bonne santé.


29

Fig. (II .7) : les capteurs de pulsation cardiaque KY-039 (à gauche) analogique et capteur de

pulsation (HBS :Heart Beat Sensor) digital.

La fréquence cardiaque peut être surveillée de deux façons: l'une consiste à vérifier

manuellement le pouls au niveau des poignets ou du cou et l'autre consiste à utiliser

un capteur de pulsations cardiaques.

A- Mesure manuelle

Le rythme cardiaque peut être vérifié manuellement en vérifiant ses

impulsions à deux endroits: le poignet (le pouls radial) et le cou (pouls carotidien). La

procédure consiste à placer les deux doigts (index et majeur) sur le poignet (ou le cou

sous la trachée) et compter le nombre d'impulsions pendant 30 secondes, puis

multiplier ce nombre par 2 pour obtenir le rythme cardiaque. Cependant, la pression

doit être appliquée au minimum et les doigts doivent être déplacés de haut en bas

jusqu'à ce que le pouls se fasse sentir.

Fig. (II.8) : la mesure manuelle.


30

B- Utilisation d'un capteur

Le battement cardiaque peut être mesurée en fonction de la variation de puissance

optique, car la lumière est dispersée ou absorbée pendant son trajet dans le sang

lorsque le rythme cardiaque change.

Fig. (II.9):mesure automatique.

II.10- La description

1. Ce projet utilise LED rouge émettrice et un phototransistor pour détecter

l'impulsion du doigt, la LED rouge clignote à chaque impulsion. Pulse moniteur

fonctionne comme suit : La LED émis de la lumière à travers le doigt, le

phototransistor sur le de l'autre côté du doigt, est utilisé pour détecter le flux émis, lors

du passage de l'impulsion de pression sanguine par le doigt le flus émis change et par

conséquent la résistance du phototransistor sera légèrement modifiée.

2. Choisir une résistance R1 de très haute valeur, car la plupart de la lumière à

travers le doigt est absorbé, il est souhaitable que le phototransistor soit assez

sensible. La résistance peut être sélectionnée par l'expérience pour obtenir les

meilleurs résultats. [11]

II.11- Principe du capteur de battement de cœur

Le principe du fonctionnement du capteur cardiaque est le

photopléthysmographe. Selon ce principe, les changements du volume de sang dans


31

un organe sont mesurés par les changements de l'intensité de la lumière qui traverse

cet organe.

Habituellement, la source de lumière dans un capteur de pulsations serait une

DEL IR et le détecteur serait un photo-détecteur quelconque, comme une photodiode,

une LDR (résistance dépendant de la lumière) ou un phototransistor.

Fig. (II.10) : le phototransistor.

Avec ces deux, c'est-à-dire une source de lumière et un détecteur, nous pouvons les

agencer de deux manières: un capteur transmissif et un capteur réfléchissant.

Dans un capteur transmissif, la source lumineuse et le détecteur sont placés l'un en

face de l'autre et le doigt de la personne doit être placé entre l'émetteur et le récepteur.

D'un autre côté, le capteur réfléchissant a la source lumineuse et le détecteur

adjacents et le doigt de la personne doit être placé devant le capteur.


32

Fig. (II.11) : émetteur/détecteur de capteur cardiaque.

II.12- Fonctionnement du capteur cardiaque

Un simple capteur cardiaque se compose d'un capteur et d'un circuit de

contrôle. La partie capteur du détecteur cardiaque est constituée d'une LED IR et

d'une photodiode placée dans un clip.

Le circuit de contrôle se compose d'un circuit intégré d'amplificateur et de

quelques autres composants qui aident à connecter le signal à un microcontrôleur. Le

fonctionnement du capteur cardiaque peut être mieux compris si l'on regarde son

schéma de circuit.


33

Fig. (II.12): Le circuit d’amplification et de mise en forme

II.13- Capteur optique

Un capteur optique est un dispositif capable de détecter l’intensité ou la longueur

d’onde des photons. Le principal avantage de capteurs optiques pour des applications

médicales, c’est leur sécurité intrinsèque, car il n’y a pas de contact électrique entre le

patient et l’appareil. Ils sont aussi moins vulnérables aux interférences

électromagnétiques, ces propriétés ont donné lieu à diverses techniques optiques pour

surveiller les paramètres physiologiques.

Le capteur optique permettant de mesurer la fréquence cardiaque est constitue de

deux parties, une de transmission et l’autre de réception. [12]


34

II.13.1- Circuit d’émission

II.13.1.1- Diode infrarouge

Une diode électroluminescente (DEL) est un dispositif optoélectronique capable

d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique.

Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul

sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant) et

produit un rayonnement monochromatique ou poly chromatique non cohérent à partir

de la conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.

Fig. (II.13) : Symbole de la diode électroluminescente

Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens

direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. Le potentiel imposé aux bornes doit être

supérieur à celui imposé par la jonction P-N. La plupart des recombinaisons sont

radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c'est la plus radiative.

L'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible (au-delà de 700 nm de

longueur d'onde). [13]

Fig. (II.14) : le spectre électromagnétique.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re

https://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode



https://fr.wikipedia.org/wiki/Coh%C3%A9rence_(physique)#Incoh%C3%A9rence


https://fr.wikipedia.org/wiki/Jonction_P-N

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_symbol.svg?uselang=fr


35

II.13.2- Circuit de réception

II.13.2.1- Photodiode

Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de

détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal

électrique.

II.13.2.2- principe de fonctionnement

Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont

absorbés à condition que l’énergie du photon (𝐸𝑝ℎ= ℎ 𝑣 soit supérieure à la largeur

de la bande interdite (Eg). Ceci correspond à l'énergie nécessaire que doit absorber

l'électron afin qu'il puisse quitter la bande de valence (où il sert à assurer la cohésion

de la structure) vers la bande de conduction, le rendant ainsi mobile et capable de

générer un courant électrique. L’existence de la bande interdite entraîne l’existence

d’un seuil d’absorption tel que ℎ𝑣 = 𝐸𝑔

Lors de l’absorption d’un photon, deux phénomènes peuvent se produire :

La photoémission : c'est la sortie de l’électron hors du matériau photosensible.

L’électron ne peut sortir que s'il est excité près de la surface.

La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau. Les

électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique du matériau.

Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie

suffisante, ils peuvent créer des photo porteurs (électrons et trous d'électrons) en excès

dans le matériau. On observe alors une augmentation du courant. Deux mécanismes

interviennent simultanément :

Il y a création de porteurs minoritaires, c'est-à-dire des électrons dans la région

P et des trous dans la région N. Ceux-ci sont susceptibles d’atteindre la ZCE

par diffusion et d’être ensuite propulsés vers des zones où ils sont majoritaires.

En effet, une fois dans la ZCE, la polarisation étant inverse, on favorise le

passage des minoritaires vers leur zone de prédilection. Ces porteurs

contribuent ainsi à créer le courant de diffusion.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_%C3%A9lectronique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur

https://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement

https://fr.wikipedia.org/wiki/Optique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur

https://fr.wikipedia.org/wiki/Flux

https://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_bandes


https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Photoconductivit%C3%A9

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron

https://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_d%27%C3%A9lectron


36

Il y a génération de paires électron trou dans la ZCE, qui se dissocient sous

l’action du champ électrique ; l’électron rejoignant la zone N, le trou la zone

P. Ce courant s’appelle le courant de transit ou photo courant de génération.

Ces deux contributions s’ajoutent pour créer le photo courant I ph qui s’additionne

au courant inverse de la jonction. L’expression du courant traversant la jonction est

alors : 𝐼𝑑=𝐼 (𝑒𝐸𝑔/𝑛 -1)-𝐼𝑝ℎ.[15]

Fig. (II.15) : symbole de la diode réceptrice.

II.14- Conditionnement du signal

II.14.1- Filtrage

Pour l’obtention d’un signal de meilleure qualité il faut utiliser un circuit de

filtrage, il existe différents types des filtres : filtre passe-bas, passe-haut, passe

bande…

Ces circuits de filtrages se divisent en deux parties : filtres passifs et filtres actifs.

Les filtres passives sont réalises autour des composants passif (c’est-à-dire ils n’ont

pas besoin d’une alimentation comme les résistances les condensateurs et les selfs, par

contre les filtres actifs sont conçus autour d’un circuit intégré.

Les filtres actifs sont meilleurs que les filtres passifs, ils ont une grandes sensibilité

ainsi qu’une bonne fiabilité par rapport aux autres.

Le choix d’un filtre dans la réalisation d’un circuit dépend tout d’abord de la bande

spectrale du signal traité ainsi que la fréquence de coupure. Il existe des filtres de

premier et de deuxième ordre. [12]


37

II.14.2- Amplification

II.14.2.1- Amplificateur opérationnel

Les amplificateurs opérationnels sont nés au début des années 60, quand on a

commencé à intégrer plusieurs transistors et résistances sur le même substrat de

silicium ; cette technologie a permis de bâtir des montages complexes, et de les faire

tenir sur une petite plaquette de silicium encapsulée dans un boîtier (généralement à 8

broches) commode d'emploi.

Amplificateur opérationnel est un amplificateur électronique initialement

conçus pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme

image d'une autre grandeur.

Avec ces composants, on a eu accès à des amplificateurs simples d'utilisation,

transmettant des signaux continus, et à mise en œuvre facile à l'aide de quelques

composants annexes (résistances, condensateurs...) ; les caractéristiques des montages

obtenus ne dépendent quasiment plus de l'amplificateur opérationnel, mais

uniquement des composants passifs qui l'accompagnent, ce qui garantit une bonne

fiabilité du résultat et assure sa respectabilité.

Les amplificateurs opérationnels ont beaucoup progressé depuis leur création, et

tendent maintenant à devenir très proches de l'amplificateur idéal (l'amplificateur

opérationnel parfait, AOP). [16]

II.15- Définitions du LM358

Le LM358 est un double circuit intégré amplificateur opérationnel de faible

puissance à l'origine introduit par National Semi conductor. Il est utilisé dans les

circuits de détection. L’abréviation LM358 indique un circuit intégré à 8 broches,

comprenant deux amplificateurs opérationnels à faible puissance. Le LM358 est

conçu pour une utilisation générale telle que des amplificateurs, des filtres passe-haut

et bas, des filtres passe-bande et additionneurs analogiques. [17]

https://www.techno-science.net/glossaire-definition/Mathematiques.html

https://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3219


38

Fig. (II .16) : LM358

II.16- La conversion analogique numérique

Elle est faite en utilisant la carte ARDUINO .Le modèle UNO de la société

ARDUINO est une carte électronique dont le cœur est un microcontrôleur ATMEL de

référence ATMega328. Le microcontrôleur ATMega328 est un microcontrôleur 8bits

de la famille AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C.

L'intérêt principal des cartes ARDUINO (d'autres modèles existent) est leur facilite de

mise en œuvre.

ARDUINO fournit un environnement de développement s'appuyant sur des outils

open source.

Le chargement du programme dans la mémoire du microcontrôleur se fait de

façon très simple par port USB. En outre, des bibliothèques de fonctions "clé en

main" sont également fournies pour l'exploitation d'entrées-sorties courantes : gestion

des E/S TOR, gestion des convertisseurs ADC, génération de signaux PWM,

exploitation de bus TWI/I2C, exploitation de servomoteurs ...

L’Arduino est une carte électronique en Matériel Libre pour la création

artistique interactive Cette carte est une plate-forme de prototypage d'objets

interactifs à usage créatif constituée d'une carte électronique et d'un environnement de

programmation.

Elle peut servir:

1. pour des dispositifs interactifs autonomes simples.

2. comme interface entre capteurs/actionneurs et ordinateur.


39

3. comme programmateur de certains microcontrôleurs. [18]

Fig. (II.17): la carte arduino et son câble.

Le système Arduino, nous donne la possibilité d'allier les performances de la

programmation à celles de l'électronique. Plus précisément, nous allons programmer

des systèmes électroniques. Le gros avantage de l'électronique programmée c'est

qu'elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la

réalisation, mais aussi la charge de travail à la conception d'une carte électronique.

Une carte d’interface programmable capable de piloter des capteurs et des

actionneurs afin de simuler ou créer des systèmes automatisés.

Un logiciel de programmation qui permet de programmer la carte en fonction

d’un comportement désiré. [18]


40

II.17- Conclusion

Dans ce chapitre on a un peu étudiée sur les capteurs en général, puis une

description et fonctionnement du capteur de température LM35 utilisée pour la

réalisation de notre projet.

Des notions sur le principe de la photopléthysmographie ont été données. Une

étude théorique des différents étages constituant le circuit de mise en forme de ce

signal ont été aussi discutés. Ce circuit est constitué principalement d’un amplificateur

un étage de filtrage et la carte Arduino qui représente l’étage de conversion

analogique numérique.

Le chapitre suivant a comme objectif la réalisation pratique ce circuit tout en

exploitant les bases théoriques que nous avons décrites dans ce chapitre.

Chapitre III Simulation et réalisation

41

Chapitre III

Simulation et

Réalisation


42

Chapitre III

Réalisation et simulation

III.1-Introduction

Vu l’utilité d’avoir un fonctionnement correcte de la pompe cardiaque d’une

part et d’une température corporelle normale d’autre part pour un bon état de santé, le

contrôle rigoureux de ces deux paramètres (pulsation cardiaque et température

corporelle) relève d’une importance primordiale. Dans ce projet de fin d’étude, on

essayera de faire une étude, simulation et réalisation d’un dispositif permettant de

mesurer simultanément la température corporelle et la pulsation cardiaque d’un

individu malade ou sein. Afin de présenter ce travail, on décompose ce chapitre en

deux parties : dans un premier temps nous étudierons le schéma fonctionnel suivi

d’une simulation du fonctionnement en utilisant le logiciel Proteus. Dans un second

temps, on exposera la partie réalisation sur plaque d’essais de ce positif à affichage

numérique de la température corporelle et la pulsation cardiaque. [19]

III.2-Définition du logiciel Proteus

Le logiciel Proteus est principalement connu pour éditer des schémas

électriques puis procéder à une animation en temps réel du montage. Par ailleurs, le

logiciel permet également de simuler ces schémas ce qui permet de déceler certaines

erreurs dès l'étape de conception. Indirectement, les circuits électriques conçus grâce à

ce logiciel peuvent être utilisé dans des documentations car le logiciel permet de

contrôler la majorité de l'aspect graphique des circuits. [19]

III.3-Simulation du circuit électrique par Proteus

On procede dans cette première partie à la simulation du ciruit électrique de notre

dispositif de mesure. Pour une bonne illustration, la simulation se fera par partie. On

simule consécutivement le fonctionnement du thermomètre seul, le fonctionnement

du capteur de pulsation cardiaque seul, suivie d’une simulation globale du

fonctionnement des deux circuits ensemble, thermomètre et compteur de pulsation

cardiaque.


43

III.3.1-Simulation du circuit électrique du thermomètre

III.3.1.1-Etude du schéma fonctionnel

Un thermomètre est un appareil qui mesure et affiche la valeur de la

température en captant la chaleur de son environnement extérieur. Nous avons tous

d’abord étudié le schéma électrique fonctionnel de ce thermomètre.

Le schéma électrique du thermomètre Fig. (III.1) comporte quatre étages : Le

premier étage F1 est un capteur de température de type LM35, le second étage F2 est

un microcontrôleur Arduino Uno d'architecture Atmel AVR, le troisième étage F3 est

un afficheur numérique LCD numérique et le dernier étage est composé de trois LEDs

de couleurs différentes. Avec ce schéma fonctionnel de simulation nous avons

identifié les fonctions suivantes :

Fig. (III .1) : circuit électrique du thermomètre

https://fr.wikipedia.org/wiki/Atmel

https://fr.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR


44

La fonction F1 est assurée par un capteur analogique de température via la

thermistance LM35 (résistance qui varie en fonction de la température de

l’environnement extérieur).

La fonction F2 de conversion est assurée via le convertisseur

analogique/numérique du type microcontrôleur Arduino d'architecture Atmel

AVR.

La fonction d’affichage numérique F3 se fait via un LCD numérique de type

LM044L.

La fonction F4 est assurée par les trois LEDs de contrôle (verte, rouge et bleu)

dont l’allumage dépende de l’intervalle de température consigne.

Dans le schéma tel qu’il est donné du thermomètre digital Fig. (III.2), le

capteur LM35 délivre en sortie une donnée analogique (tension). Pour pouvoir

l’exploiter et l’afficher sur plusieurs LEDs, nous avons besoin de la convertir, tel est

le rôle du Arduino (Convertisseur Analogique/ Numérique). C’est pourquoi l’Arduino

joue un rôle important. [19]

Fig. (III .2) : Schéma synoptique d’un thermomètre .

Dans ce projet d’électronique appliquée, la grandeur physique que nous

manipulons est une grandeur thermique : la température exprimée en °C. Le support

nous permettant de la véhiculer (la température) est la tension analogique qui a pour

unité le Volt.




45

III.3.1.2-Simulation

A l’aide du logiciel de simulation Proteus, on a fait varier la température du

LM35 afin de vérifier l’affichage correcte des valeurs de cette température prélevées

par le capteur de température sur le LCD. Les LEDs de contrôle s’allument également

chacune selon son domaine de température correspondant : la LED verte s’allume

quand la température corporelle est normale𝑡 = ° , la rouge s’allume quand la

température ° , la bleu s’allume quand la température est 𝑡 ° . La valeur

de température fixée par le LM35 actif corresponde exactement à la valeur affichée

sur le LCD. Par conséquent, la partie simulation du thermomètre est très satisfaisante.

III.3.2-Simulation du circuit électrique de la pulsation cardiaque

III.3.2.1-Etude du schéma fonctionnel

Le dispositif de mesure de la pulsation cardiaque mesure et affiche la valeur

du nombre de pulsations cardiaque par minute. Le doigt du patient placé entre une

LED émettrice d’un signal lumineux et un phototransistor récepteur, modifie le

signale lumineux chaque fois qu’il arrive un flux sanguin au niveau du doigt. Cette

variation du flux sanguin est en rapport direct avec la pulsation cardiaque consécutive

à la contraction cardiaque. De ce fait, la comptabilisation du nombre de variations du

signal délivré par le capteur pendant un temps bien défini, on peut conclure

directement au nombre de pulsation par minute.

Le schéma électrique du dispositif de mesure de la pulsation cardiaque Fig.

(III.3) comporte les étages suivants :

Le premier étage F5 est un capteur de pulsations cardiaques du type ky-

039. Il s’agit d’un capteur analogique de pulsations cardiaque qui

délivre un signale variant au même rythme que la variation du nombre

des pulsations cardiaque. Ce signale est de faible amplitude et mélangé

au bruit provenant de différentes sources (lumière, alimentation, …).

Ce dernier doit être donc amplifié et filtré avant son transfert au

microcontrôleur de la carte Arduino pour sa conversion en un signale

numérique.


46

La fonction du second étage F7 est assurée par le circuit de mise en

forme qui assure l’amplification et le filtrage du signal délivré par le

capteur de pulsations cardiaque.

L’étage F6 est un oscilloscope. Cet instrument permet un

enregistrement continu des données issues du capteur de pulsations

cardiaque.

L’étage F2 est une carte Arduino comportant un microcontrôleur

d'architecture Atmel AVR, qui permet de lire les données issues du

capteur de pulsations cardiaque.

L’étage F3 est l’afficheur numérique LCD. Il affiche le nombre de

pulsations cardiaque par minute.

Fig. (III .3) : Circuit électrique de mesure de la pulsation cardiaque.

III.3.2.2-Circuit mise en forme

Bien que les tests du capteur d’impulsions cardiaque aient réussi, les résultats

étaient instables en raison du bruit surajouté et plus particulièrement de la lumière

externe. L'éclairage du milieu de travail est principalement basé sur 50 Hz ou 60 Hz,

alors un faible battement de cœur ajoutera beaucoup de bruit. Le circuit de la Fig. (III.




47

4) a pour objectif filtrage et amplification du signal délivré par le capteur de pulsation

cardiaque.

Fig. (III .4) : Circuit de mise en forme

III.3.2.2.a-Etage de filtrage

L’étage de filtrage est constitué d’un filtre passe bas actif, utilisé pour éliminer les

bruits surajoutés au signale issu du capteur de pulsation cardiaque Fig. (III. 5). La

fréquence de coupure de ce filtre est de 2.34 Hz.

Fc = π×R ×C = , Hz (III. 1)


48

Fig. (III. 5) : filtre passe bas

III.3.2.2.b-Etage d’amplification

Compte tenu que le signal détecté par le phototransistor est très faible, de

l’ordre de quelques millivolts, une amplification est nécessaire. Souvent un

amplificateur à base d’amplificateur opérationnel est utilisé avec un gain de :

G = RR + (III. 2)


A l’aide du logiciel de simulation Proteus, on test le fonctionnement du

capteur de pulsation cardiaque. Pour ce faire, on génère à l’aide d’un potentiomètre le

signal à injecter à l’entrée Test Pin du capteur de pulsation. On constate que le

nombre de pulsations affiché par le LCD varie avec la variation de la valeur du


49

potentiomètre. De ce fait, la simulation du fonctionnement de notre capteur de

pulsation parait très acceptable.

III.3.3-Simulation du circuit électrique global : thermomètre et

dispositif de mesure de la pulsation cardiaque

III.3.3.1-Etude du schéma fonctionnel global

Le dispositif global comporte un capteur de pulsations cardiaque et un

thermomètre électronique Fig. (III. 6). Le premier, qui est un dispositif électronique

utilisé pour mesurer la fréquence cardiaque, c'est-à-dire le nombre de battements

cardiaque par minute, et le second est un thermomètre pour la surveillance de la

température corporelle. La fréquence cardiaque et température corporelle se sont deux

paramètres fondamentaux dans le fonctionnement physiologique du corps humain.

Leur contrôle et leur surveillance demeurent très utiles afin de préserver un bon état

de santé.

Pour la simulation structurelle, le circuit électrique est formé des composants

essentiels : un capteur de température LM35, un capteur de pulsation ky-039, le

circuit de mise en forme du signal, la carte Arduino Uno, l’afficheur numérique LCD

et les LEDs de contrôle de température. Avec le schéma fonctionnel de la simulation

on identifie les fonctions suivantes :

La fonction F5 est assurée par un capteur analogique de pulsations cardiaque

qui délivre un signale variant au même rythme que la variation du nombre des

pulsations cardiaque. Ce signale est de faible amplitude et mélangé au bruit

provenant de différentes sources (lumière, alimentation, …). Ce dernier est

amplifié et filtré avant son transfert au microcontrôleur de la carte Arduino

pour la conversion en un signale numérique.

La fonction F7 est assurée par le circuit de mise en forme qui assure

l’amplification et le filtrage du signal délivré par le capteur de pulsation

cardiaque.

la fonction F6 est un oscilloscope. Cet instrument permet un enregistrement

continu des données issues du capteur de pulsations cardiaque.


50

La fonction F1 est assurée par un capteur de température LM35 qui délivre

également un signal analogique de la température du milieu, transféré au

microcontrôleur pour son traitement numérique.

la fonction F2 est une carte Arduino qui permet de lire les données issues des

deux capteurs.

la fonction F3 est l’afficheur LCD. Il affiche la valeur numérique de la

température et du nombre de pulsation cardiaque par minute

la fonction F4 est assurée par les LEDs de signalisation qui clignotent en

fonction de l’intervalle de température indiqué.

Fig. (III .6) : Circuit électrique de mesure de la pulsation cardiaque et de la température

corporelle.


51


A l’aide du logiciel de simulation Proteus, on simule le fonctionnement du

capteur de pulsation cardiaque. Pour ce faire, on génère à l’aide d’un potentiomètre

le signal à traiter par l’entrée Test Pin du capteur de pulsation. Le signal est

visualisé à l’oscilloscope et injecté à l’entrée du microcontrôleur pour le comptage

des impulsions selon les données du programme chargé dans le microcontrôleur. Le

nombre d’impulsion calculé est affiché sur un afficheur LCD. On a constaté que le

nombre de pulsations suit la variation de la valeur du potentiomètre. De ce fait, la

simulation du fonctionnement de notre capteur de pulsation est très acceptable.

III.4-Conception et réalisation

III.4.1-Description des composants de réalisation

Le schéma électrique comme le montre la Fig. (III. 6) est composé de :

- Une carte Arduino uno .

- Un afficheur LCD.

- Un capteur de température LM 35.

- Un Capteur de pulsations cardiaque ky-039

III.4.1.1-La carte Arduino Uno

III.4.1.1.a-Définition

Arduino est un circuit imprimé en matériel libre (dont les plans sont publiés

en licence libre) sur lequel se trouve un microcontrôleur qui peut être programmé

pour analyser et produire des signaux électriques, de manière à effectuer des tâches

très diverses comme la domotique (chauffage, éclairage, pilotage d’un robot,…) c’est

une plateforme basée sur une interface entrée/sortie simple Fig. (III.7).

Il était destiné à l’origine principalement mais pas exclusivement à la programmation

multimédia interactive en vue de spectacle ou d’animations artistiques.

Arduino peut être utilisé pour construire des objets interactifs indépendants

(prototype rapide), ou bien peut être connecté à un ordinateur pour communiquer avec


52

ses logiciels (ex : Macromedia Flash, processing, Max/MSP, Pure Data,

SuperCollider). En 2011, les versions vendues sont pré-assemblées. [20]

Fig. (III .7) : Carte Arduino Uno.

III.4.1.1.b-Description de la carte Arduino

Un module Arduino est généralement construit autour d'un microcontrôleur

Atmel AVR (ATmega328 ou ATmega2560 pour les versions récentes, ATmega168

ou ATmega8 pour les plus anciennes), et de composants complémentaires qui

facilitent la programmation et

L’interfaçage avec d'autres circuits. Chaque module possède au moins un régulateur

linéaire

5V et un oscillateur à quartz 16 MHz (ou un résonateur céramique dans certains

modèles).

Le microcontrôleur est préprogrammé avec un boot loader de façon à ce qu'un

programmateur dédié ne soit pas nécessaire.

Les modules sont programmés au travers d'une connexion série RS-232, mais les

connexions permettant cette programmation diffèrent selon les modèles.

Les premiers Arduino possédaient un port série, puis l'USB est apparu sur les

modèles Diecimila, tandis que certains modules destinés à une utilisation portable se


53

sont affranchis de l'interface de programmation, relocalisée sur un module USB-série

dédié (sous forme de carte ou de câble).

L'Arduino utilise la plupart des entrées/sorties du microcontrôleur pour

l'interfaçage avec les autres circuits.

Le modèle Diecimila par exemple, possède 14 entrées/sorties numériques,

dont 6 peuvent produire des signaux PWM, et 6 entrées analogiques.

Les connexions sont établies au travers de connecteurs femelle HE14 situés

sur le dessus de la carte, les modules d'extension venant s'empiler sur l'Arduino.

Plusieurs sortes d'extensions sont disponibles dans le commerce.

Les modules non officiels « BoArduino » et « Barebones », compatibles avec

la technologie Arduino, utilisent des connecteurs mâle pour une utilisation aisée avec

des plaques de test. [20]

III.4.1.2-Afficheur LCD III.4.1.2.a-Définition et description

Ce projet utilise, bien évidemment des afficheurs LCD 16x4 dits à logique

intégrée que l’on retrouve aujourd’hui très facilement sur le marché Fig.(III. 8). C’est

un moyen d’affichage des informations. Et comme il ne fait aucune interprétation des

codes de commandes des afficheurs il est compatible de tous les modèles existants, de

1 à 4 lignes et de 16 à 20 caractères. Il existe deux interfaces normalisées : une

version « parallèle » et une autre « série ». Dans cette étude on a utilisé la

version parallèle qui est composée de 4 lignes et 20 caractères. [20]

Fig. (III .8) : Afficheur LCD.


54

Au dessus de l’écran à cristaux liquides proprement dit, on trouve une série de

20 broches aux rôles Suivantes :

Broche 1 : masse.

Broche 2 : Vcc.

Broche 3 : luminosité.

Broche 4, RS (Registre Select) : sert à dire au module dans quel registre il

doit écrire les données.

Broche 5, R/W : sélection du mode lecture ou écriture.

Broche 6, E : Commande des opérations d’écriture ou de lecture.

Broche 7 à 20 : utilisées pour le transfert des données ou des instructions.

Le transfert peut se faire sur 8 bits, toutes les broches sont alors utilisées, ou

sur 4 bits.

III.4.1.2.b-Fonctionnement de l’afficheur LCD

Un afficheur LCD est capable d’afficher tous les caractères alphanumériques

usuels et quelques Symboles supplémentaires. Pour certains afficheurs, il est même

possible de créer ses propres Caractères. Chaque caractère est identifié par son code

ASCII qu’il faut envoyer sur les lignes D0 à D7 broches 7 A 14. Ces lignes sont aussi

utilisées pour la gestion de l’affichage avec l’envoi d’instructions telles que

l’effacement de l’écran, l’écriture en ligne 1 à 4, le sens de défilement du curseur.

Les avantages et les inconvénients des écrans LCD peuvent se résumer comme suit :

Les avantages : la faible consommation d’énergie qui est inférieur a celle

des écrans CRT et l’absence de dégagement de chaleur. Au niveau de la

qualité de l’image, les écrans LCD actuels, démontrant de très bons niveaux

de gris et de couleur.

Les inconvénients : Manques de luminosité, contraste limite et couleur peu

sature.

Temps de repense insuffisant pour les images animes et surtout l’angle de vision trop

faible. [20]


55

III.4.1.3-Capteur LM35

Le capteur de température LM35 est un capteur analogique de température

fabriqué par Texas Instruments. Il est extrêmement populaire en électronique, car

précis, peu couteux, très simple d'utilisation et d'une fiabilité à toute épreuve. Ce

capteur de température est capable de mesurer des températures allant de -55°C à

+150°C dans sa version la plus précise et avec le montage adéquat, de quoi mesurer

n'importe quelle température. C’est un capteur actif sous forme d’un intégré spécialisé

LM35 Fig. (III. 9).

La sortie analogique du capteur est proportionnelle à la température. Il suffit

de mesurer la tension en sortie du capteur pour en déduire la température. Chaque

degré Celsius correspond à une tension de +10mV.

Lorsqu’il est alimenté sous une tension de 5 V, la tension de sortie est

proportionnelle à la température du milieu dans lequel est plongé le capteur.

Notons que dans notre cas la stabilité de la source de tension alimentant notre

capteur est recherchée, car une perturbation de celle-ci influe directement sur la

précision de mesure.

Et d’après l’analyse expérimentale, Il a été observé que le LM35 présente une

meilleure linéarité et une pente droite positive qui passe par l’origine (0mV=0°C),

pour cela on a opté d’utilisé ce capteur dans la réalisation de notre thermomètre. [20]

Fig. (III .9) : a)Circuit intégré du LM35 , b)Circuit éléctrique LM35

http://www.ti.com/


56

III.4.1.4-Capteur de pulsation cardiaque

III.4.1.4.a-Fréquence cardiaque

La fréquence cardiaque correspond au nombre de battements du cœur pendant un laps

de temps donné, une minute généralement. Elle varie sous l'impact de nombreux

paramètres :

le sexe, l’âge, la forme physique, la corpulence, présence d’une pathologie, les

émotions, la prise de médicaments, etc.

On estime que chez l'adulte, au repos, une fréquence cardiaque normale est

comprise entre 60 et 100 battements par minute (BPM).

Elle est légèrement plus élevée chez les femmes que chez les hommes.

Le cœur des enfants bat plus rapidement : chez le nouveau-né, entre 120 et 160 fois

par minute !

Au contraire, chez les sportifs, la fréquence cardiaque peut s'abaisser à des niveaux

très faibles, jusqu'à 40 BPM.

Lorsqu'on pratique un exercice physique, la fréquence cardiaque augmente, et

ce d'autant que l'effort est soutenu. Les muscles sont ainsi mieux approvisionnés en

oxygène et éléments nutritifs. La fréquence cardiaque atteint toutefois un seuil

qu'elle ne peut dépasser, qui correspond à la fréquence cardiaque maximale.

III.4.1.4.b-Mesure de la fréquence cardiaque

Il est possible de mesurer sa fréquence cardiaque de façon très simple :

Placez deux doigts (l'index et le majeur) sur une artère, au niveau du poignet

par exemple, ou du cou.

Comptez le nombre de battements ainsi ressentis pendant une minute

précisément.

Pour gagner en précision, renouvelez l'opération trois fois de suite puis faites

une moyenne des résultats obtenus.


57

III.4.1.4.c-Description et fonctionnement du capteur ky-039

Les données de la fréquence cardiaque s'avérent très utiles pour le contrôle du

fonctionnement et du rythme cardiaque. Le capteur ky-039 peut être utilisé pour

effectuer cette mesure Fig. (III. 10). Il est constitué d’une LED infrarouge qui émit un

signal lumineux IR à travers le doigt et un phototransistor de réception de l'autre côté

qui mesure le flux émis.

Fig. (III .10) : Le capteur ky-039, (a) broche de connexion, (b) LED IR et phototransistor

Lorsque le doigt du patient est placé entre la LED émettrice du signal IR et le

phototransistor récepteur, le signal reçu par le récepteur varie en fonction du flux

sanguin présent au niveau du doigt. Cette variation du flux sanguin est en rapport

direct avec la pulsation cardiaque consécutive à la contraction et décontraction de la

pompe cardiaque. De ce fait, le signal de polarisation du phototransistor est modulé

donnant un ainsi un de signal de sortie proportionnel à celui-ci. Par conséquent

chaque variation de l’amplitude du signal entre deux valeurs extrêmes corresponde à

une pulsation cardiaque, donc la comptabilisation du nombre de variations du signal

délivré par le capteur, pendant un temps bien défini, peut nous renseigner directement

sur le nombre de pulsations pendant ce temps, habituellement pris comme une minute

de temps.


58

Fig. (III .11) : Principe du capteur de battement de cœur.

III.4.2.Réalisation du thermomètre électronique et du capteur de

pulsations cardiaque

III.4.2.1-réalisation du thermomètre électronique

III.4.2.1.1-Montage de réalisation

Pour mesurer la température corporelle, on a réalisé le schéma de la Fig.

(III.12). Le circuit comporte un capteur analogique de température type LM35 dont la

sortie est branchée à l’entrée analogique de la carte Arduino Uno.

Pour commencer notre montage, nous allons câbler la broche VCC du capteur

à l'alimentation 5V de la carte Arduino au moyen d'un fil. On fait ensuite de même

avec la broche GND du capteur qui vient se câbler sur la broche GND de la carte

Arduino. On relie ensuite la sortie du capteur à la broche A5 de la carte Arduino avec

un fil. Les sorties A3, A4, A5, A6, A7 et A8 de la carte Arduino sont reliées

successivement aux broches D7, D6, D5, D4, E et RS de l’afficheur LCD. La carte

Arduino est reliée au PC par un câble USB (com série) pour téléverser le programme

de calcul de la température (voir annexe A). Les trois LEDs de témoignage des

intervalles de température sont branchées aux broches A9, A11 et A13 de la carte

Arduino et de l’autre coté à la masse via des résistances de protection.


59

Fig. (III.12) : Schéma de câblage du thermomètre électronique

III.4.2.1.2-Le code de calcul de la température

Le but de notre code va être de :

1. Lire la tension sur la broche A5

2. Convertir la valeur mesurée en une température (pour l'affichage)

3. Envoyer la valeur au PC ou LCD (pour l'affichage)

4. Recommencer au point 1.

III.4.2.2-Réalisation du détecteur de pulsations cardiaque

III.4.2.2.1-Montage et réalisation

Pour mesurer la pulsation cardiaque, on a réalisé le schéma de la Fig. (III.13).

Le circuit comporte un capteur analogique de pulsation cardiaque type ky-039 dont la

sortie est branchée à l’entrée analogique de la carte Arduino Uno.

Pour commencer notre montage, nous allons câbler la broche VCC du capteur

à l'alimentation à 3.3 V de la carte Arduino au moyen d'un fil. On fait ensuite de

même avec la broche GND du capteur qui vient se mettre à la masse du circuit. On

relie ensuite la sortie du capteur à l’entrée du circuit de mise en forme dont la sortie

est reliée à la broche A0 de la carte Arduino avec un fil. Les sorties A3, A4, A5, A6,


60

A7 et A8 de la carte Arduino sont reliées successivement aux broches D7, D6, D5,

D4, E et RS de l’afficheur LCD.

La carte Arduino est reliée au PC par un câble USB (com série) pour téléverser

le programme de calcul de la pulsation cardiaque (voir annexe B).

III.4.2.2.2-Le code de calcul des pulsations cardiaques


1. Lire la tension sur la broche A0.

2. Compte le nombre de pics du signal PPG.

3. Envoyer la valeur au PC ou LCD (pour l'affichage).


Fig. (III.13) : Schéma de câblage du pulsation cardiaque


61

III.4.2.2.3-Réalisation du circuit de mise en forme

Le circuit de mise en forme du signal issue de capteur de pulsation Fig. (III. 4) a été

réalisé en circuit imprimé pour constituer l’étage de filtrage et d’amplification pour

notre capteur de pulsations. Le signal de pulsations cardiaque à la sortie de ce circuit

de mise en forme est donné à la Fig. (III. 14). Qualitativement, en sortie du circuit de

mise en forme, on obtient un signal amplifié avec des pics du PPG visibles et faciles à

détecter.

Fig. (III.14) : Signal PPG


62

III.4.3-Réalisation d’un circuit électrique de détecteur global

III.4.3.1-Montage et réalisation

Fig. (III. 15) : schéma de câblage de la pulsation cardiaque et de la température corporelle

Pour mesurer les pulsations cardiaques, on a réalisé le schéma de la Fig.

(III.15). Le circuit comporte un capteur analogique de pulsation cardiaque type ky-

039 dont la sortie est branchée à l’entrée du circuit de mise en forme qui est reliée à

l’entrée analogique de la carte Arduino Uno. Le capteur de température LM35 est

relié à l’alimentation par sa broche Vcc et à la masse par sa broche GND, la broche

OUT est reliée à la broche analogique de la carte arduino.

Pour commencer notre montage, nous allons câbler la broche VCC du capteur à

l'alimentation à 3.3 V de la carte Arduino au moyen d'un fil. On fait ensuite de même

avec la broche GND du capteur qui vient se mettre à la masse du circuit. On relie

ensuite la sortie du capteur à l’entrée du circuit de mise en forme dont la sortie est

reliée à la broche A0 de la carte Arduino avec un fil. Les sorties A3, A4, A5, A6, A7

et A8 de la carte Arduino sont reliées successivement aux broches D7, D6, D5, D4, E

et RS de l’afficheur LCD.


63

La carte Arduino est reliée au PC par un câble USB (com série) pour téléverser

le programme de calcul de la pulsation cardiaque (voir annexe C).

III.4.3.2- Code de calcul des deux paramètres


1. Lire les deux tensions sur les broches A0, A5.

2. Comptage du nombre de pics du signal PPG et la valeur de température.

3. Envoyer la valeur au PC ou LCD (pour l'affichage).


L’organigramme de ce code est donné par la Fig. (III. 16).

Fig. (III. 16) : L’organigramme du code globale


64

III.4.4-Test de validation du dispositif

Pour la validation du fonctionnement de notre dispositif, des tests sont effectués sur

un certain nombre d’individus du laboratoire. Les résultats sont comparés à ceux

obtenus manuellement et avec un autre appareil électronique de mesure Fig. (III. 17) :

La première mesure test en utilisant notre circuit de mesure pour le prélèvement de la

fréquence cardiaque.

Deuxième mesure en utilisant un tensiomètre digital du commerce.

La troisième mesure est effectuée manuellement au niveau du pouls radia du poignet.

Les résultats obtenus sont très satisfaisants.

Fig. (III. 17) : Test de validation


65

III.5-Conclusion

Nous avons pu dégager que la mesure et la surveillance continues de la

température et la fréquence cardiaque demeurent des taches très nécessaires non

seulement pour le suivi des malades connus mais également pour le contrôle des

individus connus seins. Ainsi, concevoir et mettre en place un système pouvant

effectuer la mesure de ces deux paramètres par variation de la tension facilite

énormément la mesure et le contrôle de ces deux paramètres physiologiques vitaux.

Dans la deuxième étape, nous avons entamé l’étude du schéma électrique

fonctionnel de notre moniteur de signaux, suivi d’une simulation du fonctionnement

en utilisant le logiciel Proteus, et enfin la réalisation sur plaque d’essais de ce positif à

affichage numérique de la température corporelle et la pulsation cardiaque. Des tests

sont également effectués sur certains individus et comparés à avec d’autres mesures

pour une éventuelle validation de notre dispositif. Les résultats obtenus sont très

satisfaisants.

Conclusion générale

66

Conclusion générale

Dans ce projet de fin d’étude nous avons effectué une étude, simulation et

réalisation du circuit électrique d’un moniteur de signaux vitaux qui mesure et affiche

deux paramètres cruciaux pour la vie humaine, la température corporelle et la

fréquence cardiaque. Il s’agit d’un thermomètre électronique couplé à un détecteur de

pulsations cardiaque.

Dans ce sens, il a été judicieux de diviser le travail en deux parties.

Dans la première partie, nous avons pu dégager que la mesure et la

surveillance continues de la température et la fréquence cardiaque demeurent des

taches très nécessaires non seulement pour le suivi des malades connus mais

également pour le contrôle des individus connus seins. Ainsi, concevoir et mettre en

place un système pouvant effectuer la mesure de ces deux paramètres par variation de

la tension facilite énormément la mesure et le contrôle de ces deux paramètres

physiologiques vitaux.

Dans la deuxième étape, nous avons entamé l’étude du schéma électrique

fonctionnel de notre moniteur de signaux, suivi d’une simulation du fonctionnement

en utilisant le logiciel Proteus, et enfin la réalisation sur plaque d’essais de ce positif à

affichage numérique de la température corporelle et la pulsation cardiaque. Des tests

sont également effectués sur certains individus et comparés à avec d’autres mesures

pour une éventuelle validation de notre dispositif. Les résultats obtenus sont très

satisfaisants.

Annexe

Annexe A

Annexe

Annex B

Annexe

Annexe

Annexe C

Annexe

Annexe

Annexe D

A

Annexe

Annexe

Annexe E

Bibliographie

[1]. http://btscira.perso.sfr.fr/

[2]. www.wontu.fr/DOCS/kit_de_survie_mesure_de_temperature.pdf

[3] .Documents technologiques I T E C A SOCADEI Web site : www.iteca-socadei.com

[4] .Bengt Kayser . Professeur Institut des sciences du sport Université de Lausanne .température

carpellaire.18mars2018

[5] .Publié par Magalie Le Bihan, pharmacien le Vendredi 23 Septembre 2016 : 16h59

Mis à jour le Mardi 27 Septembre 2016 : 12h38

Source : Avec la contribution des Laboratoires Théranol Deglaude avec le F-TEST,

indicateur de température par cristaux liquides à bandelette frontale

Site internet ameli-sante.fr : http://www.ameli-sante.fr/comment-bien-prendre-la-

temperature.html]

[6] .Mr Mekdad.A et Mr Zenasni.H «Conception et réalisation d’un régulateur de

Température» (Pfe) Dirigé par : Mr Boussaid.A (2003-2004)

[7] .Mr Benouaden Abderraouf « conception d’un thermomètre électronique à base d’un capteur de

chaleur, un PIC, et un afficheur LCD ».unv : Mentouri de Constantine.date juin 2011

[8]. Mr par bourourou zakarya & lama abderrazzak « réalisation de thermomètre a LEDs»

Dirigé par :Mr ZOUGAGH Nabil (2014/2015)

[9] Mr :Ramira tarek & Saoud hocine «conception de système d’asservissement standard a base d’un

pic» Dirigé par :Alggoune Hocine (2014/2015)

[10] : Mr Benouaden Abderraouf « conception d’un thermomètre électronique à base d’un

capteur de chaleur, un PIC, et un afficheur LCD»(mars _ juin 2011)

[11] . http://www.makers-hut.com/product/finger-heartbeat-measuring-sensor-module-ky-

039-keyes-for-arduino/.

[12] .Ms Chibani Sabrina « Conception et realisation d’un système de Télésurveillance de

frequence Cardiaque » Diriger par Mr :Mostfai.M(2014/2015).

[13]. https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_%C3%A9lectroluminescente.

[14]. https://sites.google.com/site/rayonsuvetir/les-rayons-ultraviolets-et-infrarouges.

[15]. https://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiode.

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[16]. http://www.bedwani.ch/electro/ch9/

[17] .Mr. Kedim Zouheyr& Chebourou Abderrezzaq « Etude et réalisation d’un détecteur de

vibration mécanique» Dirigé par : Mr belaid (2015/2016)

[18]. Ms chakhemane Ghezala « mesure de la variabilité du rythme cardiaque » diriger par :

Dib Nabil (2016/2017)

[19] .Mr par Tabich Sohil « projet électronique thermomètre digital » Dirigé par Tebib Heila

(2012/2013)

[20] .Mr par Saidi Mohammed Amir& Taleb Bendiab Mohammed Amin « réalisation pratique d’un

thermomètre électronique » Dirigé par : Debbal Sidi Mohamed (2014 /2015)

http://www.bedwani.ch/electro/ch9/

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